感覺解碼器的發(fā)現(xiàn)之旅
——2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

王培培 楊 菲

(首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)系，北京 100069)

北京時(shí)間2021年10月4日，人們翹首以待的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)揭開了最后的謎底。有些出人意料的是，在新型冠狀病毒肺炎的預(yù)防和治療中大顯身手的mRNA疫苗技術(shù)并未獲得諾獎(jiǎng)委員會(huì)的青睞，從而與這一年度諾貝爾獎(jiǎng)失之交臂。最終，來自美國的生理學(xué)家David Julius和分子生物學(xué)家Ardem Patapoutian因在溫度感受器和觸覺感受器發(fā)現(xiàn)過程中做出的開創(chuàng)性工作，脫穎而出，一舉摘得了萬人矚目的諾貝爾獎(jiǎng)。相較于新近大熱的mRNA疫苗技術(shù)，David Julius和Ardem Patapoutian的發(fā)現(xiàn)不僅經(jīng)受了時(shí)間的考驗(yàn)，同時(shí)，他們的工作對(duì)于揭示人類感知外界冷熱溫度和觸覺壓力的生物學(xué)本質(zhì)至關(guān)重要，因此,諾獎(jiǎng)?lì)C給這兩位科學(xué)家也是實(shí)至名歸。

1 獲獎(jiǎng)?wù)吆喗?/h2>

1.1 David Julius

David Julius(圖1)，美國生理學(xué)家，加州大學(xué)舊金山分校生理學(xué)及分子生物學(xué)教授。1955 年11月4日，David Julius出生于美國紐約市布魯克林的一個(gè)俄羅斯猶太家庭，1984 年于美國加州大學(xué)伯克利分校畢業(yè)并獲得博士學(xué)位，師從Jeremy Thorner和2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者Randy Schekman。而后，David Julius在另一位諾獎(jiǎng)獲得者Richard Axel(2004年生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng))的指導(dǎo)下，在哥倫比亞大學(xué)進(jìn)行了兩年的博士后研究。1989 年，David Julius入職加州大學(xué)舊金山分校開始了獨(dú)立的科研生涯。在獲得本次諾貝爾獎(jiǎng)之前，David Julius已榮獲2000年度Perl-UNC神經(jīng)科學(xué)獎(jiǎng)、2010年度邵逸夫獎(jiǎng)、2020 年度科學(xué)突破獎(jiǎng)和科維理神經(jīng)科學(xué)獎(jiǎng)等多項(xiàng)知名科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)。

圖1 David Julius[1]

1.2 Ardem Patapoutian

Ardem Patapoutian(圖2)，黎巴嫩裔美國分子生物學(xué)家，美國霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員。Ardem Patapoutian 1967 年出生于黎巴嫩貝魯特， 1986年移居美國，1990年在加州大學(xué)洛杉磯分校獲得本科學(xué)位，主修細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)。1996 年于加州理工學(xué)院獲得生物學(xué)博士學(xué)位。博士后研究期間在加州大學(xué)舊金山分校與 Louis F. Reichardt 一起工作。2000年，Patapoutian成為斯克里普斯研究所助理教授，2014 年以來一直擔(dān)任霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所 (HHMI) 的研究員。2016年，Ardem Patapoutian入選美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)會(huì)士，2017年當(dāng)選美國國家科學(xué)院院士，2020年入選美國藝術(shù)與科學(xué)院院士。Ardem Patapoutian曾獲得2017年度 W. Alden Spencer 獎(jiǎng)、2019年度Rosenstiel獎(jiǎng)、2020年度科維理神經(jīng)科學(xué)獎(jiǎng)等多項(xiàng)科學(xué)大獎(jiǎng)。

圖2 Ardem Patapoutian[1]

2 主要科學(xué)貢獻(xiàn)

2.1 David Julius的主要科學(xué)貢獻(xiàn)

早在公元前5000年，瑪雅人就已經(jīng)開始食用辣椒，它也是人類種植的最古老的農(nóng)作物之一。人們在吃辣椒時(shí)往往會(huì)伴隨著灼熱，甚至是疼痛的感覺，這是因?yàn)槔苯分械睦苯匪?capsaicin)能夠激活人體的傷害性初級(jí)感覺神經(jīng)元。但是，辣椒素究竟是通過何種受體來發(fā)揮功能卻一直不得而知。20世紀(jì)90年代后期，已經(jīng)在加州大學(xué)舊金山分校工作的 David Julius和他的同事利用能夠感知疼痛、熱和觸覺的背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元，從中提取并構(gòu)建了一個(gè)包含數(shù)百萬個(gè)片段的cDNA文庫，他們認(rèn)為在這個(gè)文庫里應(yīng)當(dāng)包含著可以編碼辣椒素受體的DNA片段。而后他們將這個(gè)cDNA文庫劃分成不同的組，每組大約包含16 000個(gè)基因，他們依次將這些組瞬時(shí)轉(zhuǎn)染到原本不能對(duì)辣椒素產(chǎn)生反應(yīng)的HEK293細(xì)胞中。如果某組含有辣椒素受體的文庫被轉(zhuǎn)入細(xì)胞，那么這些細(xì)胞就能對(duì)辣椒素產(chǎn)生反應(yīng)。經(jīng)過大量艱苦的篩選，David Julius確定了一個(gè)辣椒素感應(yīng)基因，而該基因編碼了一種新的離子通道蛋白，這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的辣椒素受體后來被命名為 TRPV1。更令人驚喜的是，TRPV1不僅能被辣椒素激活，同時(shí)也可以被43 ℃以上的高溫激活。這一偉大的發(fā)現(xiàn)，首次揭示了離子通道在物理化學(xué)刺激間的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用，即辣椒素等天然化學(xué)物質(zhì)刺激與溫度等物理刺激，可通過細(xì)胞膜上TRPV1通道統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為電信號(hào)[2]，從分子層面為我們展現(xiàn)了軀體感受認(rèn)知的最本質(zhì)來源，更新了我們對(duì)軀體感受的認(rèn)知，同時(shí)也為揭開其他溫度感應(yīng)受體開辟了道路[3]。

2.2 Ardem Patapoutian的主要科學(xué)貢獻(xiàn)

隨著TRP家族成員中更多的溫度感受器被不斷發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家對(duì)于脊椎動(dòng)物溫度感知機(jī)制的解析已取得了眾多突破[2]。但是感知領(lǐng)域當(dāng)中另外一個(gè)重要問題，即人體如何將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為觸壓覺的蛋白分子機(jī)制還是未解之謎。在早期的研究[4]中，人們發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌感知機(jī)械力的受體，但對(duì)于脊椎動(dòng)物的觸覺機(jī)制仍知之甚少。Ardem Patapoutian的研究團(tuán)隊(duì)[5-6]早期也曾在多個(gè)溫度感受器，例如TRPM8、TRPA1等的發(fā)現(xiàn)過程中取得重要成果，但隨后他們投入了更具挑戰(zhàn)性和更高難度的觸覺感受器解碼研究當(dāng)中。他們首先對(duì)不同的細(xì)胞系進(jìn)行篩選，最后發(fā)現(xiàn)N2A細(xì)胞被微針這種機(jī)械力刺激時(shí)，會(huì)產(chǎn)生可測量的電信號(hào)[7]。他們推測被機(jī)械力激活的感受器是一種離子通道受體，利用RNA profiling技術(shù)，他們確定了500多個(gè)候選基因。通過大量的實(shí)驗(yàn)篩選，Ardem Patapoutian及其研究團(tuán)隊(duì)最終發(fā)現(xiàn)一種全新的單一基因，當(dāng)這種基因沉默時(shí)，細(xì)胞對(duì)微針的刺激不再敏感[7]。他們將其命名為Piezo1——希臘語表示“壓力”的詞匯。很快他們又發(fā)現(xiàn)了另外一個(gè)基因[7]，與Piezo1相似，可以被感覺神經(jīng)元高水平表達(dá)，即Piezo2。

基于上述的突破性研究成果，Patapoutian研究團(tuán)隊(duì)及其合作伙伴發(fā)表了一系列高水平的科研論文，進(jìn)一步探索了Piezo1和Piezo2的作用機(jī)制。其研究[8]結(jié)果表明Piezo1和Piezo2都是陽離子通道受體，可以被細(xì)胞膜表面的壓力激活。Piezo1和Piezo2還被證明和人體生理過程密切相關(guān)，包括觸覺、本體感覺、血壓、呼吸以及膀胱控制、骨質(zhì)生成等[9-11]。

3 科學(xué)意義

溫度覺和觸覺，是我們感知和融入周圍世界的主要途徑，也是人類直接經(jīng)驗(yàn)的最重要來源。想象一下，當(dāng)一個(gè)人站在噴頭下淋浴時(shí)，他能夠迅速感受到水的溫度過高還是過低，以及水壓太大或者太小，從而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。像這樣的例子在人類日常生活中比比皆是，以至于有時(shí)我們會(huì)忽略它們的意義和重要性，就像空氣和陽光一樣。但正如祖師所著的《血脈論》名句：“如人飲水，冷暖自知”，這些最直觀的感覺經(jīng)驗(yàn)恰恰也塑造了我們每個(gè)獨(dú)立的個(gè)體。因此冷熱溫度和壓力轉(zhuǎn)化成神經(jīng)電信號(hào)的分子機(jī)制不僅僅是一個(gè)科學(xué)問題，甚至與文化和哲學(xué)也息息相關(guān)。

本次諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者在熱受體(TRPV1)、冷受體(TRPM8)和機(jī)械壓力受體(Piezo)的突破性發(fā)現(xiàn)過程中做出了卓越的貢獻(xiàn)，而這些受體的發(fā)現(xiàn)幫助科學(xué)家解答了長期困擾人們的謎題，即冷熱和機(jī)械壓力是如何導(dǎo)致神經(jīng)沖動(dòng)的產(chǎn)生[2,5,7]。早在1969年，科學(xué)家Cosens和Manning發(fā)現(xiàn)給予果蠅連續(xù)的光刺激，它的光感受器會(huì)出現(xiàn)短暫但顯著的特異性胞內(nèi)鈣離子濃度升高，被稱為瞬時(shí)受體電位(transient receptor potential，TRP)[12]。1997年，David Julius團(tuán)隊(duì)[2]發(fā)現(xiàn)TRP家族成員TRPV1不僅是辣椒素的體內(nèi)受體，同時(shí)也可以被高溫激活，從而鑒定出第一個(gè)溫度感受器。隨后，David Julius也通過和其他科學(xué)家合作，一起利用冷凍電鏡解析出TRPV1受體的結(jié)構(gòu)[13]，為針對(duì)TRPV1受體的藥物研發(fā)提供了重要依據(jù)。受到1997年David Julius工作的啟發(fā)，Ardem Patapoutian也在2002年到2010年期間發(fā)現(xiàn)TRPM8等多個(gè)TRP家族的溫度感受器[3]，以及它們的生理和病理學(xué)功能。更重要的是在2010年，Ardem Patapoutian[7]實(shí)驗(yàn)室首次報(bào)道了Piezo家族陽離子通道可以被機(jī)械壓力激活。并且在之后，他們又連續(xù)報(bào)道了Piezo1和Piezo2在觸覺、本體感覺、血管生成和呼吸系統(tǒng)中的作用[9-11]。TRPV1和Piezo家族蛋白的發(fā)現(xiàn)之旅幫助我們走完了認(rèn)識(shí)溫度覺和觸覺生物學(xué)本質(zhì)的最后一公里(圖3)，而在路的盡頭又將是全新旅程的開始。

圖3 諾獎(jiǎng)獲得者的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)解釋了冷熱觸覺的誘發(fā)機(jī)制及其生理病理學(xué)意義

David Julius和Ardem Patapoutian的工作不僅體現(xiàn)了他們各自的成就，更是神經(jīng)科學(xué)中各種溫度和壓力感受器，以及離子通道研究方面優(yōu)秀科學(xué)家的典型代表。他們在一個(gè)專業(yè)領(lǐng)域上長期耕耘，持之以恒，堅(jiān)守的同時(shí)又不斷拓展研究的邊界，創(chuàng)新的背后是對(duì)一個(gè)科學(xué)問題的篤定追求。他們的獲獎(jiǎng)，必將進(jìn)一步推動(dòng)生理和病理?xiàng)l件下溫度覺、觸覺等感覺系統(tǒng)的功能研究走向新的高峰。他們的獲獎(jiǎng)，也將激勵(lì)更多年輕人投身神經(jīng)科學(xué)，去揭示更多我們生活中的自然現(xiàn)象，并為神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療打開嶄新的窗口。